《四川大学精品立项教材 天然高分子材料》廖学品，肖霄，郭俊凌|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《四川大学精品立项教材 天然高分子材料》

【作　者】廖学品，肖霄，郭俊凌

【丛书名】四川大学精品立项教材

【页 数】 410

【出版社】 成都：四川大学出版社 , 2022.01

【ISBN号】978-7-5690-5029-5

【价 格】62.00

【分 类】高分子材料

【参考文献】 廖学品，肖霄，郭俊凌. 四川大学精品立项教材 天然高分子材料. 成都：四川大学出版社, 2022.01.

图书封面：

图书目录：

《四川大学精品立项教材 天然高分子材料》内容提要：

为适应生物质材料科学和技术的发展，主编廖学品组织编写了《天然高分子材料》一书。本书全面系统地阐述了天然高分子材料的基本概念、基本理论、研究方法、应用领域以及发展趋势，涉及多糖（纤维素、淀粉、甲壳素与壳聚糖）、蛋白质（大豆蛋白、胶原蛋白）以及酚类（植物多酚）等天然高分子材料。

《四川大学精品立项教材 天然高分子材料》内容试读

第1章概论

1.1天然高分子的定义

天然高分子(Natural polymer)是指没有经过人工合成，天然存在于动物、植物及微生物体内的大分子有机化合物。天然高分子都处于一个完整而严谨的超分子体系内，一般由多种天然高分子以高度有序的结构排列起来。天然高分子化合物可以分为：多肽、蛋白质、酶等；多聚磷酸酯、核糖核酸、脱氧核糖核酸等；多糖（如淀粉、肝糖、菊粉、纤维素、甲壳素等)；橡胶类（如巴西橡胶、杜仲胶等）；树脂类（如阿拉伯树脂、琼脂、褐藻胶等)。通常，矿物类高分子不被认为是天然高分子。因此，天然高分子一般泛指生物质。人类对天然高分子的利用始终伴随着人类的进化与发展，与人类的社会生产和生活密不可分，人类赖以生存的世界是无数个层次不同的天然高分子体系组成的和谐的统一体。因此，天然高分子对于人类的重要性绝不仅仅表现在衣、食、住、行上，更是可作为未来主要的可再生的物质资源。天然高分子作为可再生、可持续发展的资源，其高效利用是未来“碳中和”发展战略的必然选择。

1.2天然高分子的特点

天然高分子的主要特点是可再生性、低污染性、广泛分布性、资源丰富性，以及碳中性（碳中和）。

1.可再生性

按照天然高分子的定义，其是由各种生物产生的，这里的各种生物包括所有的植物、微生物及以植物、微生物为食物的动物。只要整个地球环境有生命存在，这种过程

就会不断地延续下去。同时，理论上天然高分子的产生只依赖太阳、CO2和H2O,且

会不断地产生各种不同的天然高分子。现代社会发展所需要的能源和有机化学品，以及高分子材料均以碳为核心，而天然高分子与石油、煤炭、矿物质不同，是唯一的一种可再生的碳源，可以被永续利用。

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天然高分子材料

2.低污染性

天然高分子主要含C、H、O三种元素，部分生物质还含有N、S、CI等元素。通

常认为，天然高分子可在环境中被生物利用以延续生命并产生新的生物质，排放物主要

是CO2和H2O,而其所含的N主要用于维持生物的生命活动并参与N循环。据测算，

将农林废弃物经加工后作为燃料，其SO2排放量是煤的1/28、天然气的1/8。因此，

天然高分子具有低污染性。

3.广泛分布性

天然高分子是地球上存在最广泛的物质，它包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命的物质派生、排泄和代谢而产生的有机质。从陆地到海洋，从茫茫戈壁到雪域高原都能找到各种不同的生物，只要有生物存在的地方就一定存在天然高分子，只是种类和数量不同而已。每年地球上生长的植物所含纤维素高达千亿吨，超过了现有石油总储量，这是大自然给予人类的一种廉价而又取之不尽的可再生资源。

4.资源丰富性

绿色植物利用叶绿素通过光合作用，把CO2和H2O转化为葡萄糖，并把光能储存

在其中，再进一步把葡萄糖聚合成淀粉、纤维素、半纤维素、木质素等构成植物本身的物质。据估计，作为植物类的天然高分子的主要成分一木质素和纤维素每年以约1640亿吨的速度再生，如以能量换算这相当于石油产量的15~20倍。如果这部分资源得到有效利用，人类就拥有了一个取之不尽的资源宝库。

5.碳中性

气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对生命系统形成威胁。在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体。2016年，中国正式加人《巴黎气候变化协定》，该协定将推动全球应对气候变化行动，并积极向绿色可持续的增长方式转型，避免过去几十年严重依赖石化产品的增长模式继续对自然

生态系统构成威胁，其核心就是控制温室气体（主要是CO2)的排放，并在未来确定的

时间内实现碳中和。我国提出到2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的目标。

碳中性（碳中和）是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。

要实现“碳中和”，需要能源系统和制造业的颠覆性变革，从以化石能源为主转向以可再生能源为主，从以不可再生碳资源为主转向以可再生碳资源为主；除需解决能源“碳中和”的问题，还必须解决以石化、天然气及煤为原料的化学品及材料生产的“碳中和”问题。

天然高分子主要由有机高分子组成，光合作用合成植物类有机高分子（纤维素、淀粉等)，动物以它们为食并转化为动物类有机高分子，而植物类和动物类有机高分子又可以被微生物降解成水和二氧化碳，形成可持续的生态体系，不改变或基本不改变大气中二氧化碳的总量，因此天然高分子本身是碳中性（碳中和）的。图1.1为天然高分子(生物质)的碳循环过程。

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第1章概论

太阳能+CO

cO.

预处玛

生物质能源8

生物质化学品

生产

生物质

生物质材料

图1.1天然高分子（生物质）的碳循环过程

1.3天然高分子的分类

天然高分子是天然存在于动物、植物和微生物内的大分子有机化合物。天然高分子主要分为多聚糖类（包括淀粉、纤维素、木质素、甲壳素等）、多聚肽类（主要包括蛋

白质、酶、激素、蚕丝等)、遗传信息物质类（主要包括DNA、RNA)、动植物分泌物

类（主要包括天然橡胶、植物多酚、生漆、虫胶等）。

1.3.1多聚糖类

常见的多聚糖有纤维素、淀粉、甲壳素。

纤维素(Cellulose)是植物细胞壁的主要结构成分，通常与半纤维素、果胶和木质素结合在一起，不溶于水及一般有机溶剂。纤维素的基本单位是葡萄糖，它是由300~2500个葡萄糖残基通过3-1,4糖苷链连接而成的聚合物。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。棉花的纤维素含量接近100%,为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40%~50%，还有10%~30%的半纤维素和20%~30%的木质素。纤维素是分子量最大的糖类，人的消化系统不能将它分解，因此它不能为人体提供能量。但研究发现，纤维素（主要是膳食纤维）有利于肠内有益细菌的生存，能促进肠胃的蠕动，对人体健康有利。自然界中有的细菌能够将它分解成简单的葡萄糖

淀粉(Starch)是高等植物中储存能量的高分子，是比纤维素简单的糖类。淀粉是

天然高分子材料

高分子碳水化合物，是由葡萄糖分子聚合而成的多糖。其基本构成单位为α一D一吡喃

葡萄糖，分子式为(C。H。O5)m。淀粉有直链淀粉和支链淀粉两类。前者为无分支的螺旋结构；后者以24~30个葡萄糖残基以α一1,4一糖苷键首尾相连而成，在支链处为α一1,6一糖苷键。淀粉是人类重要的食物和原材料，可分解为简单的葡萄糖供人体吸收利用。淀粉在人的口腔里的唾液淀粉酶的作用下被分解为麦芽糖，因此人在多次咀嚼米粉时，能够感觉到甜味。

甲壳素(Chitin)又称甲壳质、几丁质、蟹壳素等，是自然界中唯一带正电荷的天

然高分子聚合物，化学名为3-(1,4)一2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，分子式为

(C8H13ON)nm,1811年由法国学者布拉克诺(Braconno)发现。自然界中，甲壳素广泛存在于低等植物菌类，虾、蟹、昆虫等甲壳动物的外壳，真菌的细胞壁中。甲壳素的化学结构和植物纤维素非常相似，都是六碳糖的多聚体，分子量都在100万以上。甲壳素溶于浓盐酸、磷酸、硫酸和乙酸，不溶于碱及其他有机溶剂，也不溶于水。甲壳素的脱乙酰基衍生物壳聚糖(Chitosan)不溶于水，可溶于部分稀酸。甲壳素的应用范围很广泛，在工业上可用于布料、衣物、染料、纸张和水处理等方面；在农业上可做杀虫剂、植物抗病毒剂；渔业上可做养鱼饲料；还可做化妆品美容剂、毛发保护、保湿剂等；医疗用品上可做隐形眼镜、人工皮肤、缝合线、人工透析膜和人工血管等。

1.3.2多聚肽类

多聚肽类主要包括蛋白质、酶、激素、蚕丝等。

蛋白质(Protein)存在于一切动植物细胞中，是由多种氨基酸组成的天然高分子化合物，其相对分子质量为30000~300000Da。蛋白质是生命的物质基础，是有机大分子，是构成细胞的基本有机物，是生命活动的主要承担者。没有蛋白质就没有生命，它是与生命及各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。蛋白质占人体重量的16%~20%，即一个60kg重的成年人其体内约有蛋白质9.6~12.0kg。在材料领域中，正在研究与开发的蛋白质主要包括胶原蛋白、大豆蛋白、玉米醇溶蛋白、菜豆蛋白、面筋蛋白、角蛋白和丝蛋白等，多用于黏结剂、生物可降解塑料、纺织纤维和各种包装材料领域。

胶原蛋白(Collagen)又称胶原，是由三条肽链拧成的螺旋形纤维状蛋白质。胶原蛋白是动物结缔组织的重要蛋白质，结缔组织除含60%~70%的水分外，胶原蛋白占20%~30%。由于有高含量的胶原蛋白，结缔组织具有了一定的结构与机械力学性质，以达到支持、保护肌体的作用。胶原蛋白是生物科技产业最具关键性的原材料之一，也是需求量十分庞大的最佳生物医用材料，其应用领域包括医用材料、化妆品、食品工业等。

丝素蛋白(Silk fibroin)是一种从蚕丝中提取的天然高分子蛋白。蚕丝是熟蚕结茧时所分泌丝液凝固而成的连续长纤维，也称天然丝，是一种天然纤维，是人类利用最早的动物纤维之一。蚕丝是古代中国文明产物之一，相传黄帝之妃嫘祖始教民育蚕。据考古发现，约4700年前中国人民已利用蚕丝制作丝线、编织丝带和简单的丝织品；商周

第】章概论

时期，古人用蚕丝织制罗、绫、纨、纱、绉、绮、锦、绣等丝织品。蚕有桑蚕、柞蚕、蓖麻蚕、木薯蚕、柳蚕和天蚕等。蚕丝主要由内层的丝素蛋白和外层的丝胶蛋白两部分构成，丝素蛋白占70%~80%，丝胶蛋白占20%~30%。丝素蛋白具有特殊氨基酸组成，其中甘氨酸约占43%，丙氨酸约占30%，比氨酸约占12%。丝素蛋白提纯工艺简单，广泛用于服装、手术缝合线、食品发酵、食品添加剂、化妆品、生物制药、环境保护、能源利用等领域。

1.3.3动植物分泌物类

动植物分泌物类主要包括天然橡胶、植物多酚、生漆。

天然橡胶(NR)是一种以顺一1,4一聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物，

占91%94%，其余为蛋白质、脂肪酸、灰分、糖类等非橡胶物质。橡胶与钢铁、石油和煤并称为四大工业原料。天然橡胶应用非常广泛，在工业、农业及日用品行业得到了广泛使用。1492年，远在哥伦布发现美洲大陆以前，中美洲和南美洲的当地居民已开始利用天然橡胶；1888年，英国人邓录普(Dunlop)发明了充气轮胎，促使汽车轮胎工业飞跃性发展；2019年，全球天然橡胶产量达1376万吨。

植物多酚(Plant polyphenols)是一类广泛存在于植物体内的具有多元酚结构的次生代谢物，主要存在于植物的叶、木、皮、果内，其资源量达到亿吨，是植物资源综合利用的重要对象。在许多针叶树皮中，植物多酚含量高达20%~30%。狭义上认为植物多酚是单宁(Tannins)或鞣质，其相对分子质量为500~3000Da;广义上，其还包括小分子酚类化合物（如花青素、儿茶素、栎精、没食子酸、鞣花酸、熊果苷等天然酚类)。植物多酚具有较强的抗氧化能力，可与蛋白质、生物碱、多糖发生反应，还可与多种金属离子形成稳定的配合物。因此，植物多酚在制革、食品、化妆品、医药、环境等领域获得了广泛应用。

生漆(Oriental lacquer),俗称“土漆”，又称“国漆”或“大漆”，是漆树的主要次生代谢产物，主要由漆酚、漆多糖、漆酶、糖蛋白和水分、脂肪酸、少量金属离子等物质组成。漆酚是由系列邻苯二酚衍生物组成的混合物，主要由饱和漆酚、单烯漆酚、双烯漆酚和三烯漆酚等含有不饱和脂肪族侧基的漆酚类化合物组成。生漆是人类所知、所用最早的优良天然涂料，素有“涂料之王”的美誉，常用作名贵漆器的漆膜，它所显示的耐久性是近代合成涂料无法比拟的。生漆具有耐腐、耐磨、耐酸、耐溶剂、耐热、隔水和绝缘性好、富有光泽等特性，是军工、工业设备、农业机械、基本建设、手工艺品和高端家具等的优质涂料。

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天然高分子材料

1.4天然高分子的应用领域

1.4.1天然高分子的传统应用领域

传统天然高分子主要应用于造纸、皮革、制糖和发酵等产业（木材、燃料等直接利用方式不在此列)，是我国轻工支柱产业；是与“三农”关联度高、富民就业的民生产业，在扩大内需、吸纳就业、促进城镇化发展等方面发挥了重要作用，为我国轻工业和国民经济发展做出了重要贡献。

造纸是人类最早大规模利用植物类天然高分子（植物纤维素）的产业之一，已形成很好的天然高分子利用平台。目前，我国造纸行业不管是在产量还是消费总量上，均居世界首位，约占世界总产量的1/4。

皮革制造是典型的动物类天然高分子（皮胶原）加工利用产业。在改革开放的发展进程中，我国的皮革和皮革制品加工技术水平不断进步，产品质量大幅提升，并获得了国际市场的广泛认可，已成为世界公认的皮革及其制品的制造大国，皮革产量占世界总产量的20%以上，皮鞋产量占世界总产量的51%。

发酵产业是对微生物、植物、动物等天然高分子资源的综合利用。我国主要生物发酵产品产量从2010年的1800万吨增加到2016年的2629万吨，年总产值从2000亿元增至3000多亿元，且食品行业中绝大部分也属于发酵行业。目前，我国生物发酵产业产品总量居世界第一位，成为名副其实的发酵产业大国。

造纸、皮革、制糖和发酵等行业均属于传统产业，其能源和水资源的消耗大，污染物排放量大，面临越来越急迫的环保压力。因此，一方面，这些传统行业急需融合多学科技术，促进其向绿色、生态及产品的高附加值和功能化方向转型升级；另一方面，需要大力发展生物质资源的综合、循环利用技术（如制浆造纸过程中的半纤维素和木质素、制革过程中边角废料及油脂等的资源化利用)。这些发展趋势正促进相关传统产业与材料、化学品及能源等新兴产业有机衔接。

此外，天然高分子传统上也用于饲料、肥料等领域。

1.4.2天然高分子的未来应用领域

进入21世纪，随着资源、环境问题日益突出，特别是由于化石资源日益枯竭，工业革命以来长期依赖石油和煤等化石资源为原料的能源和化学工业面临着严峻挑战。据估计，地球上已探明储量可开采的煤、石油和天然气等化石资源将分别在未来200年、40年和60年内消耗殆尽。因此，开发和利用可再生资源已成为世界各国寻求可持续发展的主要方向。在众多的自然资源中，天然高分子以其资源丰富、可持续再生、清洁环保、价格低廉等特点而被认为是目前唯一具有可替代石化资源的天然资源。因此，基于

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